核電汽輪機低壓缸揭缸技術研究與工程應用

劉金偉，劉劍，李德波

(1.廣東中廣核集團有限公司，廣東 廣州510080；2.南方電網電力科技股份有限公司，廣東廣州510080)

0 引言

我國“雙碳”目標的提出極大地促進了核電、風電等新型能源的快速發展。截止到2020年，我國核電裝機容量占比2.27%，同比增長2.4%[1]。隨著新能源發電技術的快速發展及送電容量的不斷提高，燃煤電廠深度調峰的幅度和需求不斷增長[2－4]。核電作為一種安全綠色能源，相較于其他新能源具有負荷穩定、生產過程零排放等獨特優勢，因此大力發展核電技術是平衡我國能源結構和實現“雙碳”目標的優選方案之一[5－7]。

核電汽輪機作為核電站能源高效轉化和清潔利用的核心動力裝備，具有廣闊的應用前景。在國家政策扶持引導和市場需求推動作用下，在汽輪機設備高參數、大功率、高效率等方面取得了一系列進展[8]。核電汽輪機在火電汽輪機的基礎上日漸成熟，但兩者在熱力參數、結構特性、通流設計和運行方式等方面有所區別[9－10]。核電汽輪機中的低壓缸由于質量、尺寸和剛度等原因將帶來不可避免的變形問題，進而影響低壓缸間隙的測量，而通流間隙測量的精準與否對機組的安全性和經濟型產生巨大影響[11]。并且，核電汽輪機低壓缸出現的對輪中心偏移、低壓轉子端部汽封與軸頸的動靜摩擦等問題，以及汽輪機通流間隙調整的合適與否，將嚴重影響設備運行的安全性、高效性和經濟性[12－14]。

鑒于核電汽輪機揭缸提效對核電節能減排和后期安全運行的積極作用，對核電汽輪機低壓缸揭缸技術進行研究。在某核電機組拆裝期間，測量及分析低低對輪中心、汽缸變形量和半缸通流間隙等參數，試驗研究為后續的低發對輪找中心、碰缸試驗及相關檢修維護工作提供理論依據和技術支撐。

1 核電汽輪機介紹

某核電站1 187 MW汽輪機整體由一個高壓缸和兩個低壓缸組成，汽水分離器布置在汽輪機兩側。機組各軸承落地，并通過螺栓與基礎部件固定，各轉子均采用雙軸承支撐。其中，高壓缸由四組貓爪支撐于基礎部件上，低壓缸外缸獨立支撐于基礎部件上。機組主要參數見表1。

表1 核電汽輪機主要參數

2 試驗背景及流程

針對汽輪機低壓缸端部汽封體安裝過程中意外碰傷低壓缸調端軸封補償器的問題，更換軸封補償器。該軸封補償器是汽輪機扣缸階段套裝在低壓轉子上的，因此更換該補償器需要將汽輪機內缸打開，吊出轉子進行更換。此時已經完成軸系最終精找中心、碰缸試驗缸滑銷系統各定位鍵配準，高低、低低對輪已經正式連接，低發對輪磨孔已經完成，汽輪機基礎彈簧及凝汽器彈簧已經鎖緊，凝汽器內模擬運行重量的水已經排空，而低壓外缸尚未扣合。

為了監視汽缸及轉子位置，在實際試驗操作過程中收集部分數據，包括作業前后的低低對輪找中心、轉子末級葉片與汽缸同心度、轉子進出汽缸前后的左右徑向通流間隙、汽缸底部下撓量、外內缸貓爪左右以及軸向移動等數據。

試驗工作主要包括拆解低低對輪、低壓外內缸、內內缸上半吊起、低壓轉子吊起、軸封補償器更換、低壓轉子就位、低壓內內缸及外內缸扣蓋、低低對輪連接等。工作流程如圖1所示。

圖1 工作流程

3 試驗過程及數據分析

3.1 低低軸系中心與基礎彈簧測量試驗

在試驗過程中需要將LP2轉子吊出汽缸，為了監視轉子回位情況以及低低對輪中心的變化情況，在拆解低低對輪和汽缸復扣工作完成后，測量低低對輪中心和轉子到油擋洼窩的數據。由于開缸前后低低對輪中心測量數據存在一定的偏差，現場試驗在正式扣合低壓外缸后又進行一次測量。低低對輪軸系找中心數據如圖2所示，轉子油擋洼窩測量數據見表2。

表2 轉子油擋洼窩測量數據 mm

軸系最終精找中心時LP1轉子比LP2轉子中心高0.010 mm，左張口0.007 5 mm，下張口0.015 0 mm。開缸前復測低低對輪中心，LP1轉子比LP2轉子中心高0.195 mm，上張口0.070 0 mm。開缸前復測與精找中心時數據存在較大差別。汽缸復扣后共進行兩次測量，第一次為扣缸完成后，LP1轉子比LP2轉子中心高0.060 mm，上張口0.070 0 mm；第二次為低壓外缸正式扣合進行的復測，LP1轉子比LP2轉子中心高0.160 mm，上張口0.070 0 mm。

依據油擋洼窩數據分析，最終精找中心與開缸前后數據幾乎無差別，表明轉子與軸承座相對位置沒有發生變化，排除了軸瓦位置變化對輪中心變化的影響。依據低低對輪中心數據分析，軸系左右方向圓周及張口數據均變化不大，而軸系上下方向圓周以及張口數據均出現較大變化。從左右數據分析可得，該數據變化甚微，說明軸系最終找中心時數據準確，左右方向上其他因素影響很小。綜上所述，前后三次測量低低中心、左右數據與精找中心時變化不大，而高低方向上由于對輪中心數據測量狀態的不同受到凝汽器灌水、低壓外缸質量等的影響，數據存在一定的變化。汽缸開缸前后與精找中心時相比，圓周方向最大變化0.195 mm，上張口0.070 0 mm。開缸前對輪中心數據與扣缸后最后一次測量數據基本吻合。

軸系最終精找中心時，低壓外缸臨時扣合，凝汽器處于灌水狀態，基礎彈簧及凝汽器彈簧均已經調整完成，并處于釋放狀態。汽輪機開缸前后兩次找中心時，基礎彈簧以及凝汽器彈簧釋放調整完成后鎖緊，凝汽器內模擬運行狀態的水(568 t)已經排空，低壓外缸上半在基礎彈簧及凝汽器彈簧鎖緊后已經吊開。低壓缸復扣后最后一次找中心時，低壓外缸已經正式扣合。

依據以上找中心所處狀態不同與數據變化分析，分析得出對輪中心的變化是由找中心時基礎所承載的質量變化所引起的，其中凝汽器灌水質量(568 t)以及低壓外缸上半質量(144 t)影響較大。考慮到基礎彈簧及凝汽器彈簧釋放完成后，鎖定基礎彈簧及凝汽器彈簧，凝汽器排水、低壓外缸上半吊開等質量變化不會引起基礎標高的變化。但實際由于質量變化較大，凝汽器本身存在一定的變形，受到彈簧鎖緊力不足等因素影響，相關質量減輕后，基礎出現相對微小的變化。但汽輪機軸系中心要求精準，該微小變化足以對汽輪機軸系中心造成重大影響。

汽輪機基礎彈簧共有5個規格76組彈簧支座，分散布置在汽輪機基礎下部的承載梁上。低壓缸周邊區域選用的40組GP－15.19－S2型彈簧支座，也是左右彈簧中彈性系數最大的，當低壓缸周邊基礎承載的質量減輕時，基礎中間位置上鼓，造成低低對輪中心上張口以及圓周方向變化，也與現場實測數據的變化趨勢相吻合。

前期機組由于發電機相關工作滯后，汽輪機基礎彈簧釋放時，低發對輪不具備找中心條件，而凝汽器因后續相關工作，必須進行排水。結合工程實際可知，低發對輪是在基礎彈簧及凝汽器彈簧鎖緊、凝汽器排水的狀態下進行找中心工作。低發對輪找中心時基礎所處的狀態與基礎彈簧釋放時所處的狀態是不一致的，也增加了此狀態下軸系找中心工作的不準確性。因此后續機組所有對輪的軸系精找中心工作，必須在所有設備就位、凝汽器模擬運行質量灌水、基礎彈簧釋放完成后的狀態下進行。

3.2 通流間隙與碰缸試驗

機組在低壓缸正式扣合、軸系精找中心完成后，進行碰缸試驗，以檢查徑向及軸向的最小通流間隙，并依據碰缸試驗結果給汽缸最終定位。由于碰缸試驗都是在汽缸扣缸后進行，汽缸定位后內部整體通流情況無法測量。現場揭缸試驗過程中對開缸后轉子進出汽缸前后的左右徑向通流間隙進行測量，數據記錄見表3和表4。可知，轉子吊出前各級通流間隙是均勻的，其中就低壓汽缸而言，通過碰缸試驗給汽缸最終定位是合理的。

表3 動葉頂部徑向汽封間隙測量數據 mm

表4 隔板徑向汽封間隙測量數據 mm

在轉子吊出又復裝后，通流間隙與吊出前相比，右側間隙普遍偏大約0.10 mm，其余數據基本與轉子吊出前一致。汽缸扣合后，低壓外內缸與內內缸之間的偏心銷可原位復裝；開缸前后內內缸與外內缸之間的相對位置未發生變化，可判斷此次汽缸復扣后汽缸與轉子在左右方向上相對位置未發生變化。

3.3 末級葉片徑向找中試驗

在汽輪機碰缸試驗結束后，需進行末級葉片與汽缸徑向找中數據的測量。分別在轉子末級葉片的葉頂葉根處架表，盤動轉子測量轉子與汽缸的相對位置關系。該數據可以用于記錄轉子與汽缸相對位置的關系，便于后續開展比對分析研究。本次開缸前后，現場均對該數據進行了測量，數據記錄見表5。汽缸開缸并復扣后，汽缸與轉子間的位置相比開缸前以及碰缸時的位置變化關系見表6和表7。

表5 低壓轉子末級葉片徑向同心測量數據 mm

表6 開缸前與碰缸試驗時末級葉片數據顯示汽缸相對轉子位置變化情況 mm

表7 開缸前后末級葉片數據顯示汽缸相對轉子位置變化情況 mm

從對比結果來看，開缸前轉子與汽缸之間的相對位置與碰缸試驗結束后有微小變化，但考慮到測量點等因素影響，可以判斷開缸前轉子與汽缸相對位置與碰缸試驗時基本一致。開缸前與開缸后比較結果顯示，汽缸相對轉子增高0.25~0.30 mm，左右位置基本一致。由于汽缸開缸期間，為了矯正汽缸下撓量，在汽缸底部對中裝置位置架設了千斤頂及百分表。但是在汽缸復扣后底部百分表未能回到初始值(5.00 mm)，末級葉片測量時底部百分表讀數分別為:調端左側4.71 mm，調端右側4.64 mm，電端左側4.67 mm，電端右側4.68 mm。從百分表數據可知調端、電端變化量約為0.30 mm，與汽缸和轉子位置相對變化量基本吻合。通過以上分析可以判斷，汽缸開缸前后轉子與汽缸左右相對位置未發生明顯變化。由于本次開缸貓爪墊片未進行調整，可以判斷末級葉片找中數據反映出的上下變化量是由汽缸變形導致的。以上數據分析也表明末級葉片徑向找中數據可有效反映轉子與汽缸的相對位置關系。

3.4 汽缸下撓量校正試驗

汽輪機安裝階段現場發現，由于低壓缸支撐結構特點，汽缸在半缸狀態下存在一定的下撓。汽缸合缸過程中隨著內內缸、外內缸的不斷就位，汽缸下撓量逐漸變大，而汽缸合缸后由于支撐臂以及中分面螺栓的緊固，下撓量可以消除。依據汽輪機扣缸時4LP2測量數據，與低壓缸半缸狀態下合缸狀態相比，調端下撓量為1.70 mm，電端下撓量為1.80 mm。汽缸下撓量最大時為低壓外內缸就位后，垂直臂以及中分面螺栓未緊固之前，4LP2測量到的最大下沉量為3.20 mm，已經遠超過通流間隙最小值(1.60 mm)。因此在通流間隙測量、扣缸及開缸作業過程中，要通過在底部對中裝置處架設千斤頂對下撓量進行校正。

汽輪機扣缸過程中，隨著內內缸、外內缸等部件的不斷就位，汽缸下撓量不斷變大。依據扣缸時相關記錄，低壓內內缸就位后汽缸下沉量約0.50 mm，低壓外內缸就位后汽缸下沉量約1.0 mm。考慮到汽缸下沉量的變化，扣缸過程中內內缸及外內缸就位前汽缸底部均進行了適當的預抬高操作。

本次開缸操作與扣缸過程相反，汽輪機開缸前，為了避免松開垂直臂與中分面螺栓后汽缸整體下沉而壓傷頂部汽封齒，現場參考汽輪機扣缸時落下外內缸時的下沉量，汽缸底部向上頂起了1.0 mm。但是實際松開外內缸垂直臂與中分面螺栓后，汽缸幾乎沒有任何下沉。現場分析，扣缸時千斤頂向上頂起，汽缸處于半缸狀態，內缸扣合后，千斤頂吃力變大，所以下沉量較多；開缸時千斤頂向上頂起，汽缸處于合缸狀態，而千斤頂向上頂起的是整個汽缸，所以松開螺栓后，千斤頂受力沒有變化，因此汽缸沒有下沉；汽缸底部向上頂起1.0 mm是不合適的。因此在開缸過程中，汽缸底部千斤頂向上頂起量無須參考扣缸時的下沉量，只需將千斤頂受力后向上頂起約0.10 mm即可補償松螺栓后的下沉量，解決螺栓松開后的下沉問題。

4 結語

開展核電汽輪機揭缸操作試驗和試驗數據分析，積累了軸系找中心、碰缸試驗等工作經驗。

1)在低低軸系中心與基礎彈簧測量試驗中，當基礎彈簧處于鎖緊狀態時，凝汽器排水對汽輪機基礎及軸系中心存在一定的影響，為保證后續機組所有對輪的軸系精找中心工作的準確性，須在所有設備就位、凝汽器模擬運行質量灌水、基礎彈簧釋放完成狀態下進行。

2)結合通流間隙及碰缸試驗數據可知，轉子吊出前各級通流間隙是均勻的，其中就低壓汽缸而言，通過碰缸試驗給汽缸最終定位是合理的。在轉子復裝后，通流間隙與吊出前相比，右側間隙普遍偏大約0.10 mm，并且開缸前后內內缸與外內缸之間的相對位置未發生變化，進而可判斷此次汽缸復扣后汽缸與轉子在左右方向上相對位置未發生變化。

3)在末級葉片徑向找中試驗中，汽缸開缸前后轉子與汽缸左右相對位置未發生明顯變化。考慮到此次開缸貓爪墊片未進行調整，可以判斷末級葉片找中數據反映出的上下變化量是由汽缸變形導致的。同時也表明末級葉片徑向找中數據可有效反映轉子與汽缸的相對位置關系。

4)在汽缸下撓量校正試驗中，針對汽缸在半缸狀態下存在一定下撓量的問題，須在底部對中裝置處架設千斤頂對下撓量進行校正。其中，扣缸過程中內內缸及外內缸就位前汽缸底部均進行適當的預抬高操作；在開缸過程中，只需將千斤頂受力后向上頂起約0.10 mm即可補償松螺栓后的下沉量，解決螺栓松開后的下沉問題。

上述有關試驗的開展及研究分析可為后續發電機施工進度、低發對輪找中心工作等核電汽輪機揭缸相關試驗研究提出理論依據和技術支撐。